ANTIPARAM Antifoulingkonzepte für Mehrparameter-

Analysenmess- und Wasserentkeimungssysteme

1. Statusseminar MachWas25.-26.04.2017 | Frankfurt/ Main

Verbundpartner:

(Koordinator)

Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik, Heilbad Heiligenstadt

Institut für Bioanalytik, Umwelttoxikologie und Biotechnologie, Halle/ Saale

FKZ: 03XP0044E FKZ: 03XP0044C

Entwicklung und Charakterisierung von antiadhäsiven Kombinationsschichten auf Basis von biomimetischen TEL-Spacersystemen sowie Quantifizierung der Antifoulingkapazität barrierebildender Biointerfaces mit applikationsnahen in vitro-Bioadhäsionstests (iba)

Erforschung eines Verfahrens zur kontinuierlichen Fermentation und Aufreinigung von Archaeen sowie Adaption und Optimierung isolierter Membranlipide zur Anwendung in industriellen Bioprozessen (IFB)

Tetraetherlipide (TEL)Bei den Lipiden konventioneller Zellmembranen handelt es sich in der Regel umPhospho- und Glycolipide, deren hydrophobe und hydrophile Segmente überEsterbindungen miteinander verknüpft sind, sie bilden Lipiddoppelschichten aus(Abb. 1 oben). Für Organismen unter extremen Umgebungsbedingungen (z.B.hohe Temperaturen, Salzgehalte, niedrige pH-Werte, s. Abb. 2) sind derartigemembranbildende Moleküle nicht geeignet. Die Membranen extremophilerArchaeen bestehen zu einem Großteil aus Di- und Tetraetherlipiden (s. Abb. 1unten). Es handelt sich hierbei um stabile Lipide natürlichen Ursprungs, wobei dieentsprechenden Archaeen entweder gezielt produziert werden oder auch alsAbfallprodukt industrieller Prozesse (z.B. Erzaufarbeitung) anfallen können.Für Beschichtungen sind Tetraetherlipide von besonderem Interesse, da ihrebolaamphiphile Struktur die Darstellung von selbst-assemblierten Monoschichtenermöglicht, welche sich wiederum durch eine sehr hohe mechanische undchemische Stabilität auszeichnen.

Abb. 1: Prinzipieller Aufbau von konventionellen und Tetraether-Lipiden, sowie daraus resultierende Membranen.

Abb. 2: Extreme Lebensräume archaealer Organismen. a) Salzsee, b) Geysire, d) Tiefseevulkane, sowie mikroskopische Aufnahme eines Organismus (c).

b)

d)c)

a)

Nach Auswahl von geeigneten Archaeen-Spezies (Kriterien u.a.: möglichst einfacheKultivierung, geringe Kontaminationsgefahr, hohe erreichbare Zelldichte) erfolgtdie Bestimmung wesentlicher Parameter in einer Batch-, anschließend derÜbertrag in eine kontinuierliche Fermentation und deren Optimierung (Abb. 4).

Nach erfolgter Produktion erfolgt die Trennung der Zellen vom jeweiligen Mediumdurch Filtration und Zentrifugation, die Lyophilisierung der Zellmasse undschließlich die Extraktion der Tetraetherlipide. Eine weitere Aufreinigung bis hin zureinen Fraktionen wird durch chromatographische Verfahren, sowieUmkristallisation erzielt (Abb. 3).

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0

OD

600

Fermentationsdauer, d

Wachstumskurven Picrophilus oshimae

1-l-Erlenmeyerkolben

30-Liter-Fermenter

200-Liter-Fermenter

µmax = 0,03 h-1 (in

Batchkultur)

µmax = 0,06 h-1

Abb. 4: Steigerung der maximalen Wachstumsrate durch Optimierung der Prozessparameter der kontinuierlichen Fermentation.

Strukturaufklärung/ Analytik (iba)

MPL aus Thermoplasma acidophilum

C95H189O16P

M=1617.371328 g/mol

Abb. 3: Dokumentation des Prozesses zur Lipidgewinnung: aus dem Medium wird Biomasse gewonnen, extrahiert und schließlich aufgereinigt (links nach rechts).

Abb. 5: Prinzipielles Schema der Strukturaufklärung und Beschichtungsentwicklung. Unten: MS-Analyse des MPL aus Thermoplasma acidophilum.

Die biomimetischen TEL-Schichten stellen ein durch Selbst-Assemblierunggeneriertes Spacersystem zur weiteren Ankopplung von Funktionalitäten mitAntifouling-Eigenschaften dar (Abb. 6).[1]

Wesentlich ist, dass das Selbstorganisationspotential der Tetraetherlipide bereitsbei der Darstellung der jeweiligen Beschichtungslösungen ausgenutzt wird. [2]

In diesem Schritt können organische Lösungsmittel durch Verwendung wässrigerliposomaler Formulierungen im Rahmen eines Sprayprozesses vermieden werden(Abb. 7).

Abb. 6: Prinzipieller Aufbau einer Kombinationsschicht mit biomimetischem TEL-Spacer.

Abb. 7: Mechanismus der Spreitung von TEL-Liposomen.

Referenzen

[1] L. Tauhardt, M. Frant, D. Pretzel, M. Hartlieb, C. Bücher, G. Hildebrand, B. Schröter, C. Weber, K. Kempe, M. Gottschald, K. Liefeith, U. S. Schubert, Journal of Materials Chemistry B 2014, 2.[2] C. Bücher, X. Grosse, H. Rothe, A. Fiethen, H. Kuhn, K. Liefeith, Biointerphases 2014, 9, 011002.

Die kovalente Ankopplung an die jeweiligen Substratoberflächen erfolgt z.B. übereinen Cyanurchlorid-Linker, die jeweiligen Antifouling-Funktionen können dabeisowohl vorab durch Derivatisierung der Lipide, als auch auf bereits gebildete TEL-Schichten aufgebracht und fixiert werden (Abb. 8).

Alle dargestellten TEL-Schichten werden umfassend und vergleichendphysikochemisch und biologisch untersucht. Im Fokus steht dabei die Entwicklungund Etablierung eines applikationsnahen Tests (Flusswassersystem) zurUntersuchung der biologischen Wirksamkeit der Schichten.

Abb. 8: Links oben: Kovalente Fixierung von Tetraetherlipiden auf Amino-funktionalisierten Substraten. Links unten: CLSM-Aufnahmen von angefärbten TEL-Schichten. Rechts: Prinzipielles Schema zur Funktionalisierung von Tetraetherlipiden bzw. daraus generierten und fixierten Monoschichten.